计算机系统组成与计算机工作原理(ppt 96页).ppt

1 第1章计算机与社会信息化教学目的和要求 本章介绍计算机基础知识 主要内容有计算机的发展和应用领域 计算机硬件系统和软件系统的组成及各主要部件的功能 计算机编码和数制 通过学习 了解计算机的发展和应用领域 了解计算机硬件系统的基本配置 主要性能指标 硬件和软件系统的组成 理解和掌握数制转换和数据编码的概念和方法 2 第1章计算机与社会信息化 1 1计算机发展简介1 2信息技术概述1 3计算机系统组成1 4计算机硬件组成1 5计算机软件分类1 6计算机工作原理及主要技术指标1 7数制及其运算1 8文字信息编码形式 3 1 1 1计算机的发展历程英国数学家乔治 布尔 GeorgeBoole 1815 1864 创立逻辑代数 奠定电子计算机的数学理论基础 英国科学家图灵 AlanTuring 1912 1954 首次提出逻辑机模型 图灵机 建立算法理论和提出图灵测试 即智能机器 第一台电子数值积分计算机 1946 ENIAC 4 5 6 7 美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 JohnVonNeumann 1903 1957 提出EDVAC计算机方案 8 三个基本原则 计算机基本结构 计算机硬件应具有运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备等五大基本功能 采用二进制数 二进制数便于硬件实现 又有简单的运算规则 存储程序控制 存储程序实现自动计算 这3个基本原则确定了冯 诺依曼型计算机基本结构 9 计算机经历了四代发展历程 第一代 1946年 1958年 为电子管计算机 第二代 1958年 1964年 为晶体管计算机 第三代 1964年 1970年 为中小规模集成电路计算机 第四代 1971年 为大规模 超大规模集成电路计算机 以元件作为划分标准 10 11 12 13 1 1 2计算机分类按计算机运算速度 字长 存储容量 软件配置及用途等多项性能指标划分 1 高性能计算机指目前运算速度最快 处理能力最强的计算机 2 微型计算机个人计算机 PC PersonalComputer 3 工作站介于微计算机与小型计算机之间的高档微机系统 14 4 服务器高性能计算机 用于网络管理 运行应用程序 处理网络工作站成员的信息请求等5 嵌入式计算机计算机作为一个信息处理部件 嵌入到其他设备中 使其成为智能化和自动化程度更高的设备 15 1 1 3计算机的主要应用领域1 科学计算 ScientificComputing 2 数据处理 DataProcessing 3 过程控制 ProcedureControl 4 计算机辅助系统 Computer AidedSystem 5 人工智能 ArtificialIntelligence 6 信息高速公路 InformationSuper Highway 7 多媒体技术 Multimedia 16 线框图 实体图 应用举例 计算机辅助设计与制造 CAD CAM 17 应用举例 生物仿真模拟 18 19 应用举例 医学里的应用 用AVS对焦点区域的图象进行分析处理 20 应用举例 油气工业 21 应用举例 天气预报 Bosnia上空九小时天气预报图 FSL用AVS实现的天气图 LAPS用AVS实现的三维局地气象预报实时图 22 1 1 4计算机发展的趋势 1 人工智能进一步发展自动装置使用微电脑内核 带有 眼睛 摄像机 用以完成特定工作 2 计算机与通信相结合计算机应用进入网络时代 信息技术 计算机与通信网络相互协调 相互补充 融于一体 3 未来新型计算机将由磁 光或DNA来制造 即所谓磁计算机 光子计算机 生物计算机和量子计算机 1 2信息技术概述信息技术以计算机技术 通信技术 控制技术为核心 1 2 1信息与数据数据是信息的载体和表示形式信息是数据表达的内涵或解释 1 信息客观存在的事物及其运动状态的表征2 信息的基本特征 普遍性 寄载性 共享性 时效性 可识别性 可加工性3 数据数据是信息的载体 4 信息数字化将现实世界中的信息转换为计算机能识别 存储和处理的形式 24 1 2 2现代信息技术信息技术是利用信息科学的原理和方法 研究产生 获取 变换 传输 存储 处理和利用信息的技术 1 2 3信息技术的发展趋势 多学科结合 智能化 多媒体化 高速度 网络化 1 2 4信息化社会信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动 信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力 现代化程度 综合国力和经济成长能力的重要标志 25 1 3 计算机系统组成 26 1 4计算机硬件组成 冯 诺依曼计算机结构 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 执行指令 协调控制 存储程序 数据 结果 输入程序 数据 输出结果 27 计算机系统的硬件逻辑组成 冯 诺依曼思想 程序与数据一样存放在内存 存储器 数据流 控制流 运算器 外存储器 输出设备 内存储器 输入设备 控制器 中央处理器 28 1 4 1中央处理器 CPU为控制器和运算器的总称 1 运算器计算机用来进行算术 逻辑运算的部件 算术逻辑运算单元ALU执行算数和逻辑运算的装置 核心是加法器 内部总线运算器和控制器之间的公共信息通道 寄存器组暂存操作数和中间结果有 累加 暂存 标志 通用等 29 1 4 1中央处理器 CPU为控制器和运算器的总称 2 控制器控制 协调计算机各部件自动连续地执行指令 控制整个计算机有条不紊地工作 主要功能有 取指令 自动形成指令地址 分析指令 分解成微操作 执行指令 执行微操作命令 改变指令执行顺序 根据判断结果 输入 输出控制 主机与入 出设备间 中断处理 非预期服务 30 控制器由以下部件组成 程序计数器 PC 下条指令地址 指令寄存器 IP 暂存 指令译码器 ID 分析指令 分解成微操作 时序控制电路 发出命令 微操作控制电路 实际执行命令 31 1 4 2存储器用于存储程序和数据的部件 两种基本操作 读操作 写操作 存储容量 是存储器的重要性能指标 存储容量单位 bit 位 Byte 字节 KB 千字节 MB 兆字节 GB 千兆字节 它们之间的换算关系为 1字节 Byte 8个二进制位 bits 1KB 210B 1024B1MB 220B 1024KB1GB 230B 1024MB 33 位 字 字长 位 字节 字及字长 字节 8位 数据存储的组织形式 34 主存储器 内存 分类 随机存储器 RAM SRAM 静态 用于CacheDRAM 动态 用于内存条用于CMOS只读存储器 ROM BIOSPROM 只能写1次EPROM 可多次擦写 35 2 辅助 外 存储设备外部长久存储区域 常用辅助存储器有 磁盘存储器 硬盘 软盘 光盘 U盘 磁带磁鼓 36 硬磁盘 磁盘信息存储格式记录面 磁头数磁道 4096柱面 所有记录面上同一编号的磁道扇区 每个扇区容量为512字节 磁盘工作原理 37 38 硬盘的存储容量 磁头数 柱面数 扇区数 扇区容量例 若已知磁头数为16 柱面数为4096 扇区数为63 扇区容量512字节 则 硬盘容量 16 4096 63 512 2 1GB 39 1 4 3输入输出设备输入输出 I O 系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作 输入设备向主机输入程序 原始数据和操作命令等信息的设备 键盘 鼠标 光笔 图形输入板 触摸屏 数字化扫描仪 图像摄像仪 光学字符阅读器 声音识别器等都是输入设备 2 输出设备将计算机处理后的信息 转换成人们能识别的形式打印机 显示器 绘图仪 音箱等 40 1 5计算机软件分类软件 是计算机完成一定任务所需的程序 数据和资料 分为两大类 系统软件和应用软件 1 5 1系统软件包括4类 操作系统语言处理系统数据库系统服务程序 41 操作系统 OS 为了合理方便地利用计算机系统而对其资源进行管理的软件 操作系统管理的资源有4类 进程管理 存储管理 设备管理 文件管理 42 2 语言处理系统通过计算机语言可以编写程序 控制计算机完成预定任务 计算机语言分为3大类 机器语言汇编语言高级语言 43 3 数据库管理系统管理数据库的软件 主要面向解决数据处理的非数值计算问题 4 服务程序完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 44 1 5 2应用软件针对某一应用目的而开发的软件 分为二大类 通用应用软件专用应用软件通用应用软件支持最基本的应用 广泛地应用于几乎所有专业领域 45 计算机系统的层次结构 46 1 6计算机工作原理及主要技术指标计算机工作过程是执行程序的过程 程序 为一系列指令的有序集合 47 计算机的工作过程 1 计算机的工作过程就是执行程序的过程 输入设备 输出设备 内存储器 中央处理器 程序 执行结果 地址 指令 数据 控制命令 控制命令 48 1 计算机的指令系统指令 是使计算机完成某个操作所发出的命令 指令系统 一台计算机有许多作用不同的指令 所有指令集合称为该计算机的指令系统 49 指令和程序 程序 按一定顺序组织在一起的指令序列 机器指令 硬件能够直接识别并执行的指令 50 一条机器指令由两部分组成 操作码和操作数 操作码 指明该指令要完成的操作类型或性质 如取数 做加法或输出数据等 操作数 指明操作对象的内容或所在单元地址 指令格式 说明指令的功能 说明指令操作的对象 51 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码 完成一种操作 数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令其它指令 ifgoto AndOr 对计算机的硬件进行管理等 指令 结构 分类 操作码要完成的操作类型或性质操作数操作的内容或所在的地址 52 2 计算机工作原理计算机执行指令一般分为两个阶段 第一阶段称为取指周期 第二阶段称为执行周期 指令执行的一般过程 取指令分析指令读取操作数执行指令存放结果 53 计算机的工作过程 2 指令 存取命令 运算命令 输入 输出命令 原始数据命令 程序 取数 读 结果 存数 写 I O设备 内存储器 运算器 控制器 数据线 控制线 54 计算机执行程序的方式 有两种执行方式 顺序执行 一条指令执行完了再执行下一条指令 并行执行 同时执行两条或多条指令 55 3 计算机主要技术指标 字长 一次并行处理的二进制数的位数 主频 CPU的时钟频率 运算速度 每秒执行指令的次数 MIPS 存储容量 存储周期 一次完整存取的操作时间 56 1 7数制及其运算计算机中采用具有两个不同稳态的电子器件表示数 这就是二进制数 为书写和表示方便 引进八进制和十六进制数 1 7 1进位计数制在进位计数制中有基数 位权和数位3个要素 基数 某个计数制中所包含的数码个数 数位 指数码在一个数中所处位置 位权 由位置决定的值 位权用基数R的i次幂Ri表示 57 十进制计数制十进制数的基数是10 数码有0 9共10个数字符号 用D表示 数码处于不同位置代表不同数值 取决于位权 因此 301 6876可写成权展开表示式 301 6876 3 102 0 101 1 100 6 10 1 8 10 2 7 10 3 6 10 4 58 2 R进制计数制任意R进制计数制同样有基数R 位权Ri和按权展开的表示式 R可以是任意正整数 任意一个R进制数N可以表示为 N An 1 Rn 1 An 2 Rn 2 A1 R1 A0 R0 A 1 R 1 A m R m 59 常用的各种进制数的表示 60 1 7 2不同进制间的转换各种进制数之间存在一定的转换规则 R进制数 非十进制 转换为十进制数规则 利用按权展开方法 可以将任一进制数转换成十进制数 方法 只要将各位数码与对应的位权乘积进行相加 和数就是对应的十进制数 61 例1 7 1 将二进制数转换为十进制数 1101 1011 B 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 1 2 4 13 6875 D 例1 7 2 将八进制数转换为十进制数 455 54 o 4 82 5 81 5 80 5 8 1 4 8 2 256 40 5 0 625 0 0625 301 6875 D 例1 7 3 将十六进制数转换为十进制数 12D B H 1 162 2 161 13 160 11 16 1 301 6875 D 62 2 十进制数转换为R进制数 非十进制 规则 将此数分成整数与小数两部分分别转换 然后再将结果拼接起来即可 方法 整数部分转换步骤 采用 除R取余法 即将十制制整数不断除R取余数 直到商为0 余数从右到左排列 首次取得的余数在最右 63 小数部分转换步骤 采用 乘R取整法 即将十进制小数不断乘以R取整数 直到小数部分为0或达到所求的精度为止 小数部分可能永远不会得到0 所得的整数从小数点自左往右排列 取有效精度 首次取得的整数放在最左 64 例1 7 4 将 301 6876 D转换成二进制数 整数部分2 3012 150余数为1最低位2 75余数为02 37余数为12 18余数为12 9余数为02 4余数为12 2余数为02 1余数为00余数为1最高位 65 例1 7 4 将 301 6876 D转换成二进制数 小数部分0 6876 2 1 3752整数为1最高位0 3752 2 0 7504整数为00 7504 2 1 5008整数为10 5008 2 1 0016整数为1最低位 因此 301 D 100101101 B 0 6876 D 0 1011 B转换结果 301 6876 D 100101101 1011 B 66 3 二进制 八进制 十六进制数 非十 间的相互转换二进制 八进制和十六进制之间存在特殊关系 81 23一位八进制数对应三位二进制数 161 24一位十六进制数对应四位二进制数因此转换方法比较容易 表1 7 2 67 八进制和十六进制转换成二进制 每一位八进制数对应三位二进制数 1分3 7123 14 O 111001010011 001100 B712314每一位十六进制数对应四位二进制数 1分4 2C1D A1 H 0010110000011101 10100001 B2C1DA1 二进制转换成八进制和十六进制 转换成八进制时三位二进制一组 3合1 转换成十六进制时四位二进制一组 4合1 分组方法 从小数点向两边三 四 位一组 位数不足整数前补0 小数后补0 1101101110 110101 B 001101101110 11010100 B 36E D4 H 1101101110 110101 B 001101101110 110101 B 1556 65 O 70 例 将二进制数100101101 1011转换成十六进制数 000100101101 1011 B 12D B H12D B即 整数高位补零 又如将二进制数100101101 1011转换成八进制数 100101101 101100 B 455 54 O455 54即 小数低位补零 71 1 7 3数值表示及运算机器数的概念 计算机内部 表示数的正 负的符号必须数码化 将一个带符号数在机器中的表示形式称为机器数 而在机器外部由正负号表示的数称为真值数 若一个数占16位 规定最高位为符号位 用0表示 号 用1表示 号 其余位表示数值 例如 真值数为 000000011000001其机器数为 1000000011000001 称为数符 72 数据在计算机中的表示方式 2 真值数 1001101 0 1 0 0 1 1 0 1 77 符号位 值 机器数 真值数 3 机器数 1 自然数 73 2 定点数和浮点数 在定点数中 小数点位置一旦固定 就不再改变 定点数中又有定点整数和定点小数之分 74 2 定点数和浮点数 定点小数 小数点位置固定在数值最高位前面 用来表示小于1的纯小数 定点整数 小数点位置固定在数值最低位后面 用来表示整数 75 定点整数的表示范围 27 1 N 27 1 即 127 N 127 76 任何浮点数都可表示为 N S 10 jj N的阶码J前面的 阶符S N的尾数 S前面的 数符 二进制浮点数的规范化 尾数的最高位为1 例如 110 001的规范化格式为 0 110001 2 11 77 机器数 定点数和浮点数都是用数据第一位表示数的符号 用其后各位表示数的绝对值 这种方法简单易懂 称为 原码 编码方式 3 原码 反码和补码 原码 最高位存放数的符号 0为正 1为负 数值部分用剩余的位以二进制形式表示 例如 X 1010011 X 原 01010011X 1010011 X 原 11010011 反码 正数的反码是原码本身 负数的反码表示为该数对应的正数按位取反 包括符号位 例如 正数 0000100 的反码 00000100负数 0000100 的反码 11111011 79 补码 正数的补码表示与原码相同 负数的补码等于其相应反码加1 在最低位加1 例如 正数 0000100 补 00000100负数 0000100 补 0000100 反 1 11111011 1 11111100 80 机器数可以有三种表示法 原码反码补码 81 1 1 在计算机内部数据是以补码形式出现 带符号的机器数 77 原码 反码 补码 数据在计算机中的表示方式 82 补码运算主要优点是 对负数处理后将减法转化为加法 不论求和或求差 也不管参加运算的数正与负 运算时一律只做加法 大大简化运算 83 二进制加法运算规则 84 补码运算 已知 X 11 Y 3 求 X Y 求 X Y 补 X 补 Y 补 X 反 00001011 Y 反 11111100 00001011 11111101 00001000 X 补 00001011 Y 补 11111101 补码的优点 数符也当数值参与运算 Y 原 10000011 X 原 00001011 85 1 7 4算术与逻辑运算计算机中数据采用二进制编码形式实现算术运算和逻辑运算 1 二进制数算术运算二进制数算术运算与十进制数算术运算基本相同 也包括加 减 乘和除四则运算 但运算更简单 2 二进制数逻辑运算逻辑数据值用于判断某个条件成立与否 成立为1 真反之为0 假当要对多个条件进行判断时 则需要用逻辑运算符构成逻辑表达式 结果还为逻辑值 逻辑运算主要包括三种基本运算 逻辑与运算 通常用 或 符号表示两个逻辑量间的与关系 逻辑或运算 通常用 或 符号表示两个逻辑量间的或关系 逻辑非运算 表示同原条件A含义相反 用A表示 87 在逻辑运算中 将逻辑量的各种可能的组合与对应运算结果列成表格 称为